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压力传感器的芯片封装技术_孙以材

发布日期:2021-04-01 07:56

  第 23 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1998 年 6 月 压力传感器的芯片封装技术 孙以材 范兆书 常志宏 沈今楷 高振斌 杨瑞霞 ( 河北工 业大学 天津 300130) 摘 要 对压力传感器芯片 的各 种封 装技

  第 23 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1998 年 6 月 压力传感器的芯片封装技术 孙以材 范兆书 常志宏 沈今楷 高振斌 杨瑞霞 ( 河北工 业大学 天津 300130) 摘 要 对压力传感器芯片 的各 种封 装技术 作了 比较和 讨论 , 指 出它们 的优 缺点 和适 用场 合 。 还对各种封接键合材料的特性作了概括 。 关键词 压力传感器 芯片封装 The Chip Mounting Techniques for Pressure Sensors Sun Yicai F an Zhaoshu Chang Z hihong Shen Jinkai Gao Zhenbin Yang Ruixia ( Hebei U niv ersity of T echnology , T ianjin 300130) Abstract T he various chip mounting techniques for pressure sensors are co mpared and discussed in this paper, w ith showing their advantag e and disadvantage as well as the applying conditions . T he proper ties for plenty of the bonding and mounting materials are presented . Key words pressure senso rs chip mounting 一、 引 言 硅片与载体或与管壳的连接 , 不仅对集成电路而且对传感器来说 , 都是重要的环节 。 供 集成电路的壳体 , 有玻封 、 塑封 、 金属壳封装以及陶瓷封装 , 主要隔离环境大气中水汽 、 氧以 及各种腐蚀性气体以及屏蔽电磁干扰的影响 。 但对传感器来说则要视具体情况而定 。 有的 传感器要隔离环境的影响 。 例如温度或压力传感器应避免电磁干扰 。 有的传感器则希望与 环境接触良好 , 尽可能与被测传感量直接偶合沟通 。 温度传感器要测量环境的温度 , 与环境 之间不希望有大的热阻 。 霍尔器件要测量所在环境的磁感应强度 , 不能加以磁屏蔽 , 但要求 与大气隔离 , 免受潮气等的影响 。 在集成电路制造中 , 芯片与管壳或与基座是机械上相互连 接的 , 一般来说 , 只要安装牢固 , 不怕机械冲击 、震动就可 。 在传感器制造中 , 芯片安装在玻 璃、 硅、 陶瓷或金属基座上 , 安装的方法或基座材料选择不合适 , 或者使传感器不能感知被测 量或者环境因素干扰传感器对被测量的传感 。 传感器的封装与集成电路的封装相比区别明 显 , 要求更为严格 。 因此对传感器的封接技术的研究有着更重要的意义 。 本文收到日期 1997 年 7 月 6 日 河北省自然科学基金资助项目 · 34 · 第 23 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1998 年 6 月 二、 对压力传感器的封装的要求 依据传感器的结构 、所依赖的物理原理以及被测量的不同 , 对不同传感器提出不同的要 求 。 概括起来 , 大致有以下几方面的要求 : ①机械上是坚固的 , 不怕振动 , 不怕冲击 ; ②避免 热应力对芯片的影响 ; ③电气上芯片与环境或大地是绝缘的或芯片与大地是电连接的 ; ④热 连接( 温度传感器) 或尽可能与环境热隔离 ; ⑤电磁屏敝的或非屏敝的( 磁传感器) ; ⑥气密且 耐水压力的( 压力传感器) ; ⑦光屏敝的或聚光的( 光电传感器) 。 本文所讨论的压阻型压力传感器要将压力或流体流量转换成硅晶体的形变 , 从而引起 电阻条电阻的变化 。 不言而喻 , 应避免热应力所引起的压力测量值虚假结果 , 只有高温封接 时才引起热应力 。 图 1 所示的压力传感器是 差压传感器 , 玻璃载体与钢管的连接属于高温 封接应首先进行 。 热应力大部份集中在两者 的接合处 。 芯片和玻璃载体间用静电封接 , 这 样芯片边缘便无热应力 。 避免热应力的另一 方法是选用热膨胀系数与硅相近的材料作芯 片的载体 。 硼硅玻 璃( Pyrex 7740 , 派热 克斯 硬玻璃) 的热膨胀系数( 2. 85 ×10 -6 K -1 ) 与硅 ( 100) ( 2. 62 × 10 -6 K -1 ) 相近 。 温度变化引起 图 1 压力传感器结构示意图 的热应力小 。 从这一角度说 , 硼硅玻璃与硅的封接是最理想的 。 这种封接法在绝对压力测 量的传感器中经常使用 。 因为这种传感器需要制作一个真空参考压力 , 芯片与载体间必须 是气密严紧的 , 保证不漏气 , 并且不能由接合层逸出气体 。 否则会破坏真空 , 提高参考压力 , 恶化长期工作稳定性 。 例如用高分子粘结剂封接时就属于这种情况 。 考虑到热应力对压力 测量的影响 , 芯片和载体间的封接面积越小越好 。 假定芯片与载体间的结合长度为 l 。封接 作业温度比室温高 ΔΣ, 冷却至室温后载体( 膨胀系数为 α 比芯片多收缩 s) Δ l =( α Δ Tl s -α Si) 图 2 硅片封接在金属载体( 170 ℃ ) 上在 x 方向上的应力分量 S x 的分布 · 35 · 第 23 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1998 年 6 月 可见 l 越小 , 两者的收缩量差别越小 , 引起硅的弹性伸长越小 , 因而热应力越小 。 图 2 是模 拟计算硅片和金属载体由于热膨胀系数不同而引起的热应力分布 。 可见 , 晶体表面的热应 力肯定会引起压阻型传感器的力敏电阻条的附加阻值变化 , 影响压力值的测量精度 。 为了对压力传感器的温漂进行温度补偿 , 芯片和补偿电路或信号处理电路的混合结构 是合适的 。 这时 , 它们之间应有良好热耦合 , 避免热滞后以达到令人满意的温度补偿 。 如果 传感器在较高的温度下作业 , 对信号处理电路进行热隔离也是必要的 。 压力传感器所测定的流体往往有腐蚀性或易爆性 , 此时传感器的封装需采用波纹不锈 钢片与介质隔离 , 同时又不妨碍压力的传递 , 使压力衰减 。 目前可应用于压力传感器的方法 很多 , 各自存在一定的优缺点和难易程度不同 , 没有一个统一的封装方法 。 选定什么封装方 法应以传感器的应用场合和现有的工艺装备条件为准绳 。 对机械 、 热学 、 电问题进行合适的 模拟 , 并进行实验确定最佳的封接方法 。 三、 压力传感器的封接方法 以下叙述不同的封接方法 , 并对各自的特点作一比较 。 压力传感器的封接方法分为硬 封接和软封接 。 环氧树脂和硅胶粘接属于软封接 。 共晶键合 、 玻璃密封 、 阳极键合 、冷焊 、 钎 焊和硅-硅直接键合属于硬封接 。 1. 粘接[ 1 , 10] 目前 , 大多应用有溶剂的双组分环氧树脂粘结剂 。 固化后在 -65 ℃到 150 ℃使用 , 便有 足够的机械强度 。 环氧树脂粘结剂被称为“ 万能胶” , 它具有粘接强度高 、耐化学介质性能 好、 耐温性能好 、 胶层收缩率小 、 可室温固化 、施工工艺简单等优点 , 但未经改性的环氧树脂 粘接剂脆性大 、耐冲击性能差 、 耐热性能不够理想等缺点 , 常需通过改性方法提高产品性能 。 市场上环氧树脂的牌号种类很多 。 用于压力传感器的环氧树脂主要用于硅芯片与玻璃 、陶 瓷、 金属之间的相互连接 。 要求机械强度高 , 耐水 、 油 、弱酸性或碱性介质 、耐热 、 耐低温 。 室 温固化纯环氧树脂粘接剂 , 如环氧三号胶( E — 51 环氧树脂 +400 聚酰胺) 、 SG — 200 环氧树 脂粘接剂( 耐温 200 ℃、耐湿 、 耐腐蚀) 、914 粘接剂( 耐水 、耐热) 。 高温固化纯环氧树脂粘接 剂如 508 粘接剂( 150 ℃ 下长期使用) 、 7 — 2312 环氧粘接剂 ( 150 ℃以下油 、 水、 弱酸中长期使 用) 、E — 8 粘接剂( -55 ~ 220 ℃ ) 、E —15 粘接剂( 粘度小 , 工艺性能好) 、J —27 环氧粘接剂 ( 60 ℃~ 232 ℃ ) 。 环氧树脂粘接剂通常可以加增韧剂 , 聚酰胺树脂 、聚氨酯树脂以改进胶 层的剪切强度 、低温性能和柔韧性 。 还可加填料 , 如 300 目氧化铝粉 、 二氧化钛粉 , 以提高粘 结力 、 强度 、 耐久性 。 在粘接剂中还可加溶剂 , 起稀释作用 , 降低粘结的粘度 , 避免胶层厚薄 不匀 , 便于涂敷施工 。 常用的溶剂有乙醇 、 、 丙酮 、三氯甲烷 、 苯 、甲苯等 。 溶剂的另一个 作用是减小粘接剂中的树脂由粘结面流出时的爬升 。 树脂爬升到芯片上流至芯片上的铝条 上 , 会使铝条受到腐蚀 , 这是极为不利的 。 溶剂的使用也有利于增加填料量 。 当溶剂挥发 后 , 粘接层比不加溶剂时可以获得更高的硬度 。 非室温固化的环氧树脂通常选择 50 ℃和 200 ℃ 之间进行固化 。 一般较高温度的固化给 予较高的封接强度 。 · 36 · 第 23 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1998 年 6 月 虽然环氧树脂可以用于粘接一切材料 。 但以粘接纯金属或氧化物陶瓷达到最高强度 。 这是因为环氧树脂由于具有羟基 、醚基 、 和环氧基 , 使相邻界面产生电磁力 , 还能与金属表面 和陶瓷表面的游离键形成化学键 , 因而有更大的粘结力 。 环氧树脂粘接有良好的工艺性 、 低 的作业温度 , E —模量小 , 收缩小 , 界面应力小 。 但是这些优点被大的延伸系数 , 低的高温强 度和相对较低的化学稳定性所没杀 。 耐水 、耐温性能也大大不如其它封接方法 。 一方面受 热时粘接剂中的水出现外扩散 , 1000 小时 150 ℃下典型的重量损失为 5 %, 其中水占 80 %, 氧和氮占 20 %。 另一方面粘接剂还受水汽的侵袭 。 2mm 厚的粘结层在 100 ℃的热蒸汽作 用下 , 32 小时便被破坏 。 如果延长相应时间 , 40 ℃ 的水蒸汽便可袭击粘结剂 。 环氧树脂在 室温下短期强度不超过 30M Pa 。 一般为 10 ~ 20M Pa 。 如果传感器的承压膜所承流体压力 ( 耐压) 为 10MPa , 则环氧树脂的封接面积至少应为承压膜的面积的 5 ~ 10 倍 。 环氧树脂的 长期强度和较高温度下的强度则明显降低 。 仅当对传感器没有更高的热和化学稳定性要求 时 , 才可使用粘接法 。 粘接层厚度不小于 25μ m。 2. 共晶键合 固体时无溶解度或只有部分溶解度的二元系相图中往往有一个共晶点 。 共晶点时三相 共存 。 共晶成份的液相具有最低熔点 。 也就是说共晶点的温度比两种固体的熔点都低 。 在 共晶点温度下将能形成共晶的两种固体相互接触 , 经过互扩散后便可在其间形成具有共晶 成份的液相合金 。 随时间延长 , 液层不断增厚 。 冷却后液层又不断交替析出两种固相 。 每 种固体一般又以自己的原始固相为基础而发展壮大 、结晶析出 。 因此两种固体之间的共晶 能将两种固体紧密的键合在一起 。 图 3 表示出金-硅合金相图 , 其共晶温度为 390 ℃, 共晶点 硅的成份为 31 %原子 。 固体状态下 , 硅中金的溶解度最大为 2 ×10 -4 %原子 。 图 4 示出铝硅相图 , 共晶温度为 577 ℃, 纯铝的熔点为 660 ℃。 共晶点硅的成份为 11. 3 % 原子 。 共晶键 合作业的温度略比共晶点高 。 因此铝-硅键合时作业温度较高 。 这时应注意到芯片上已形 成铝引线 , 引线孔已合金 化 。 Pb/ In/ Ag 或 Pb/Sn 共晶系统也可用于金 属化芯片的键 合 。 此时键合面应分别蒸上两种金属 , 然后在其共晶点进行键合作业 。 图 5 示出共晶键合的示 意图 。 为了达到可靠的键合 , 必须防止合金的氧化 , 应在保护气氛或混合气体中作业 。 将芯 片背面用共晶合金预先金属化 , 便可加速键合 过程 , 缩短了扩散时间 , 防止了硅芯片的氧化 。 另一方法是硅芯和基座之间放置 20 ~ 40μ m 厚的硅-金共晶 薄膜片 , 以缩短扩散时间 。 共 图 3 金-硅相图 图 4 铝-硅相图 · 37 · 第 23 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1998 年 6 月 晶键合重复性好 , 封接气密 性好 , 机械强度高而且是电 导的 。 依据共 晶系统不同 , 表现 出好 的热 和 化学 稳定 性 。 共 晶 键合 的 缺 点 是高 的作业温度 , 冷却时会引入 较大 的 热应 力 。 基 于 这一 点 , 共晶键合只适合于封接 小的芯片 。 3. 玻璃密封[ 1 ~ 7] 玻 璃密 封广 泛的 应用 于电 子 真空 管 中 。 玻 璃可 图 5 共晶键合几中布置 与 17 % 或 28 % Cr-Fe 合金 、Fe-Ni-Co 合金 、Fe-Ni 、Fe-Ni-Cr 合金有很好密封性 。 美国材料 测试协会规定了各种密封合金的成份和热膨胀系数 。 对 101 型密封玻璃也作了规定 。 其主 要化学成份为 SiO2 ∶ Al2 O 3 ∶ Na 2O ∶ K 2O ∶ PbO =56∶ 1. 5∶ 4. 0∶ 8. 5∶ 29( % ) 。 软化点为 630 ± 10 ℃, 退火点为 435 ± 10 ℃, 热膨胀和收缩系数分别为 8. 95 和 10. 1ppm/ ℃。 借鉴于金属与 玻璃间的密封 , 也将玻璃密封应用于硅片与玻璃基座间的密封 。 键合时将酒精-玻璃粉悬浮 体涂在键合面上 。 干燥时溶剂便蒸发了 , 留下了玻璃粉 。 接着进行烧制玻璃 , 玻璃粉便熔化 成均匀的玻璃层 。 烧制时需加压力 , 玻璃层冷却后便将芯片和衬底玻璃接合起来 。 层厚约 为 10μ m 。 当低熔点玻璃粉撒在键合面上时进行键合 , 则不需要高温烧制玻璃 , 这时层厚较 小 , 约 0. 8μ m 。 玻璃封接的温度取决于密封玻璃的成份 , 一般在 415 ℃ 和 650 ℃ 之间 。 玻璃密封之所以在压力传感器中得到广泛使用是因为其膨胀系数与硅接近 , 机械强度 高且热稳定性和化学稳定性好 , 气密性好 。 密封玻璃凝固后可以是玻璃态的 , 也可以是结晶 态的 。 前者的熔点与凝固点保持不变 , 后者的熔点则高于凝固点 , 因此有很高的热稳定性 。 低温玻璃与硅的浸润性也是封接成败的关键所在 。 我们在硅片上溅射一层氧化物 , 从而改 善了硅片与低温玻璃的浸润性 。 封接强 度大于 5. 5M Pa 。 4 . 阳极键合 阳极键合是将硅芯片或圆片与玻璃 衬底相封接特别流行的封接方法 。 图 6 [ 1 , 8 , 9 , 11 , 12] 图 6 阳极键合示意图 图 7 阳极键合电流变化 · 38 · 第 23 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1998 年 6 月 示出阳极键合的示意图 。 通常用硼硅玻璃( Py rex ) 作玻璃衬底 , 因为它与硅有相近的线膨胀 系数 。 键合时硅芯片或圆片放在热阳极板上 , Py rex 又放在它的上面 。 阴极与 Pyrex 是点接 触的 。 封接时的温度为 250 ~ 500 ℃ 之间 。 加热板和 Py rex 间加 200 ~ 1000V 电压 。 这一电 场使硅片和 Pyrex 之间相互吸引 。 未加电场时可以见到因 Py rex 与硅芯片之间存在气隙而 出现的牛顿环干涉图案 。 一旦加上电场 , 硅片与 Py rex 间的气隙消除 , 牛顿环立即消失 。 键 合过程由内向外发展 , 称为静电封接 , 图 7 示出阳极键合过程电流的变化 。 阳极键合的机理 是: 因为温度升高后 , 使玻璃中 Na +离子的迁移率提高 。 在电场作用下 , Na +向阴极迁移 , 并 在阴极被中性化 。 但玻璃中固定的束缚负离子保持不动 , 并在硅的表面感应形成一空间正 电荷层 , 使硅片吸引过来 。 玻璃和硅之间的距离仅为几微米 。 整个电压降降落在其上 , 使玻 璃衬底和硅芯片之间的电场强度达到 108 V /m 数量级 , 由此造成约 10 ~ 20bar 的压力 。 由 于这一压力 , 玻璃和硅便相互压紧 , 电压便只降落在玻璃中的空间电荷区中 。 电压增强到玻 璃中氧与相陛邻的硅键合成彼此相连接的 SiO2 层 。 依据温度和电压不同 , 键合过程的时间 为 10 秒至几分钟 。 高温和高压加速 Na +离子的迁移 。 阳极键合是不可逆键合 。 也就是 说 , 电压取消后 , 硅芯片和 Py rex 之间的封接不再松开 。 原则上 , 对每种玻璃都适合阳极键 合 , 只要这种玻璃在上述温度范围都出现一定的导电性 。 也可用金属代替硅与玻璃相封接 , 不过 , 这种金属不会在玻璃中注入轻的可动离子即可 。 用 T a 、 Ti 、 Al 等合金与玻璃的阳极封 接也成功地实现了 。 但与 Ag 的阳极封接不成功 。 阳极封接也可用于硅与硅的连接 , 此时 硅的表面要用 Py rex 喷涂 。 这一层 Py rex 至少应有几微米厚 , 以防止出现空洞 , 因为空洞妨 碍键合过程 。 阳极键合与玻璃密封一样是不导电的 、 气密的 、热稳定的和化学稳定的 , 而且机械强度 高 。 将硅片与 Py rex 阳极键合时 , 无论是芯片还是圆片 , 由于 Py rex 和硅有相接近的膨胀系 数 , 封接所造成的热应力是很小的 。 这对压阻型压力传感器极为有利 。 不过 , 理论上是这样 说的 , 而实际生产中还时常出现开裂问题 。 表现为 : ( 1) 硅片与玻璃片封接后脱落 ; ( 2) 玻璃 片炸裂 。 造成脱落的原因是材料抛亮平整度不够 , 封接前清洗不干净 。 开裂的原因是原始 裂纹和微开裂 , 造成应力集中 。 封接时的热循环又造成裂纹和开裂的传播 。 阳 极 键 合 也 已 作 了 许 多 改 进 。 可 直 接 将 金 属 导 管 和 95 #或 GG17 号 ( 相当于 Pyrex 7740) 玻璃 、 硅芯片三者一次阳极键合在一起[ 8 , 9] 。 玻璃基座接负极 , 金属导管和硅芯 片接正极 。 封接前的光学加工要求光洁度达 14 以上 , 表面不平整度应 50nm , 封接温度为 400 ℃~ 450 ℃, 电压为 1200 ~ 1500V , 此外表面喷涂上低温玻璃后 , 还可在室温下键合 。 5. 冷焊[ 1] 冷焊是指两种金属层在高压 、 低温下不熔融而相互连接起来 。 所需压力随层厚降低和 温度升高而降低 。 连接的质量和持久性强烈依赖于表面的清洁度和加工质量 。 在环境温度 下和几百纳米层厚下 , 必须加 280 ~ 350bar 的压力 ; 相反 , 当层厚为 0. 5 ~ 0. 55 纳米时 , 实际 便不需要加多大压力 。 不过 , 这一薄层对清洁程度十分灵敏 , 因而要求在真空中进行加工金 属层 。 当层厚在这样的数量级下 , 即使室温下也会出现扩散 , 因而力求有一个洁净的金属 层 。 人们通常在芯片和金属之间加一层无铅玻璃作扩散阻挡层以限制这种扩散 。 冷焊过程适合于硅芯片或圆片与玻璃的无应力封接 。 封接的质量受衬底的平面度所限 制 。 在真空中制造和加工这一层 , 技术上是相当难以掌握的 , 而且费用是昂贵的 。 · 39 · 第 23 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1998 年 6 月 6. 钎焊[ 1] 与共晶键合相反 , 用软焊料钎焊连接芯片时 , 硅不发生熔化 。 钎焊时 , 参与金属化连接 的两金属被焊剂浸润再连接起来 。 焊剂除通常用的 Sn/ Pb 共晶合金外 , 还有其它组成 。 熔 点总是在 400 ℃ 以下 。 钎焊时 , 原始的硅表面不能被焊剂所浸润 , 因此必须对硅表面进行金属化处理 。 金属化 时 , 可以考虑多层组合 。 通常 Ni 作为底层 , 其厚度为 0. 5 ~ 3μ m , 0. 1 ~ 0. 3μ m 厚的 Ag 和 Au 层可作表层 。 对于无 p-n 结的欧姆连接 , 对 p-Si 可选用 Al-Cr-Au 组合层 ; 对 n-Si 则用 T i-NiSi-AuSb 层 , 已证明是可靠的 。 钎焊的合适厚度为 50μ m 。 因为作业温度低 , 所产生的 热应力比共晶键合时更小 。 另外 , 因为焊剂有高的延展性和大的层厚 , 热应力便被很好地补 偿掉了 。 总之 , 钎焊比共晶键合可加工更大的芯片 。 注意 , 钎焊很少被用于作传感器的封接 , 因为这种连接的机械强度相对比较低 , 满足不 了对承压的要求 。 另外 , 被焊件必须制作成适合钎焊的形状 。 钎焊的优点是气密的 , 机械强 度比粘结法高但比其它封接技术低 。 7. 硅-硅直接键合[ 1 , 13 , 14] 硅-硅直接键合是硅片在高温下的平面接合过程 。 近十年来开展了广泛的研究 , 已趋实 用化 , 键合时 , 将两块经去离子水充分清洗干净的硅抛光圆片 , 再用 H 2 SO 4 +H 2O 2 处理 , 在 无尘条件下接触迭合在一起 , 放入 1050 ℃的管式炉中 , 加热 1 小时后取出 。 于是两个圆片 便自然的连接在一起 。 硅-硅键合之所以受到人们重视 , 是因为利用该技术可以获得厚层外延所不能获得的高 表面质量 。 像外延一样 , 改变片子的掺杂 , 可以得到 n/ n +p/ p +或 p-n 结的键合 。 不过目前 还不能得到重复性十分好的硅-硅完美键合 。 河北大学微电子所提出 , 让硅的键合面气相淀 积一层锗 , 然后再进行硅-硅键合 , 利用夹层中的硅 、锗合金将两块硅圆片键合起来 , 键合效 果十分令人满意 , 并通过技术鉴定 。 因为硅 -硅键合作业温度很高 , 远超过铝的熔点( 660 ℃ ) 。 硅-硅键合作业应在芯片金属 化、 刻蚀内引线和合金化之前进行 。 目前硅-硅直接键合已在功率晶体管中得到应用 , 表现 出饱和压降略低的优点 [ 13 , 14] 。 四、 封接材料的性质[ 1] 从上面对七种封接方法的比较中可以看出 , 比较有效且生产中已得到广泛应用的是阳 极键合 、 玻璃密封和共晶键合 。 传感器设计时 , 除了对芯片的版图需作周密的考虑外 , 也需 选定封接方法 , 设计规划传感器的结构 。 整个传感器的封接涉及到芯片和底座间的连接以 及底座和管壳之间的连接 。 这里涉及到力学和传热学问题 。 应力场和温度场的分布都可用 数值模拟得到 。 模拟时必须知道材料的各种物理性质 。 表 1 列出压力传感器封装时所涉及 到的各种材料有关数据 。 热膨胀系数与温度的函数是判断材料间热失配应力大小的重要物 理量 。 图 8 中示出这种关系曲线 。由图可以看出 , 硅与硼硅玻璃( Py rex ) 间的热膨胀性质十 分一致 。 它们相封接时 , 热失配应力肯定很小 。 这是显而易见的 。 表 2 给出八种封接技术 · 40 · 第 23 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1998 年 6 月 所使用的作业温度 、 层厚 、强度 、 优缺点 。 这里的强度是指拉伸强度 。 传感器受力时还存在 剪切应力 。 某一面元上的应力矢量 T = σ n 。 正应力 、剪切应力以及该面的方向余弦的联 合作用可以使该面元上的应力矢量达到一个较大的值 , 从而大大超过拉伸强度 , 使封接破 坏 。 因此不能作简单计算 , 必须通过模拟计算才能选定合适的封接面积 。 另外 , 拉伸系数 , 杨氏模量 E 和温度的关系也是非线的 , 应注意这一点 。 图 8 衬底材料线K 下各种封接材料的性质 材 料 Si( 100) Si( 100) Si( 100) Fe 可伐 54Fe29Ni17Co AlN Al2O 3( 99 % ) Saphir( 蓝宝石) SiC SiO2 Py rex 7740 Corning Glas 环氧树脂( 70 %Ag) 63Sn37Pb 92. 5Pb5Sn2. 5Ag 62Sn36Pb2Ag 膨胀系数 ( 10 -6K -1) 2. 62 2. 62 2. 62 12 8 2. 58 5. 6 5. 5 ~ 7. 2 3. 4 0. 50 2. 85 33 ~ 55 25 27 26 E -模 量 ( G Pa) 130 170 190 210 140 340 400 ~ 460 360 ~ 460 483 70 63 2. 7 31 14 23 电阻率 ( μ ·cm) 10 3 ~ 4 ×108 10 3 ~ 4 ×108 10 ~ 4 ×10 10 49 — — — — — — — — — 10 4 ~ 4 ×10 — — — — — — 400 15 20 15 7 3 8 热导率 ( W/( m·K) ) 138 138 138 80 14 65 30 34 68 1. 4 1. 09 0. 8 ~ 2. 1 49 35 55 表2 各种封接方法的比较 方 法 粘接 作业温度 (℃ ) 50 ~ 150 层 厚 ( μ m) 25 ~ 50 20 ℃时强度 ( M Pa) 10 ~ 20 优 点 简单 缺 点 温度升高强度大大降低 · 41 · 第 23 卷 2 期 半 导 体 杂 志 1998 年 6 月 方 法 Au-Si 共晶 Al-Si 共晶 玻璃封接 阳极键合 冷焊 钎焊 ( 63Sn37Pb) 硅-硅键合 作业温度 (℃ ) 400 600 400 ~ 650 250 ~ 500 20 200 800 ~ 1050 0. 12 50 层 厚 ( μ m) 2 ~ 25 2 20 20 ℃时强度 ( M Pa) 220 50 50 50 50 30 n/ n , p/ p 或 pn 连接 + + 优 点 稳定 稳定 稳定 无 接合层 作业温度低 缺 点 热失配应力大 热失配应力大 作业温度高 表面要求抛光 表面要求 高 , 真空 表面金属化 作业温度高 , 难控制 参 考 文 献 1 Pollak - Diener G . , M ontagtechniken fur Silig ium - SenSoren , T echnischenM essen tm 56 (1989), R. Oldenbourg V erlag , 422 -427 2 AST M , F 15 -69 , Fe -Ni -Co Sealing Alloy 3 AST M , F 30 -68 , Fe -Ni Sealing Alloy 4 AST M , F 31 -68 , Ni - Cr -Fe Sealing Alloy 5 AST M , F 256 -53 , Cr -Fe Alloy for Sealing to G lass 6 AST M , F 257 -53 , Cr -Fe Alloy for Sealing to G lass 7 AST M , F 79 -69 , T ype 101 Sealing G lass 8 秦秋石 , 盖洪凯 , 刘通 , 张治国 . 半导体技术 , 1991 ,( 1): 24 ~ 26 9 牟军 .半导体技术 , 1994 ,( 2): 23 ~ 26 10 马长福 . 实用粘接技术 460 问 , 金盾出版社 , 1992 11 Walls G , Pomerantz D J .J . A ppl . phy s , 1969 , 40 : 3946 ~ 3949 12 Borom M P , A mer J . Ceram . Soc. , 1997 , 56 : 254 ~ 257 13 詹娟 . 半导体杂志 , 1996 ,( 4) : 8 ~ 10 14 詹娟 . 半导体技术 , 1994 ,( 6) : 54 蓝色激光二极管使光盘容量扩充到 15GB 蓝色激光二极管将用于下一代光盘 , 现已进入实用阶段 。 日本化学和松下电器二公司 准备在 1998 年底前销售样品 。 新的蓝色激光二极管的波长为 410nm 。 按照透镜分辨率的衍射限制原理 , 波长越短 , 分 辨率越高 。 因此用蓝色激光二极管后表面的记录密度可比现有的 DVD 光盘高出 2. 5 倍 ,达 到 15GB 单面记录容量 。 蓝色激光二极管是 15GB 磁盘驱动器的关键 , 日本化学和松下电器使用了两种不同的 技术来制作此元件 。 日本化学采用了 GaN 为基础的激光二极管 , 而松下电器则以光学波导结合激光二极管 的第二调波动代( SHG ) 激光 。 后者是用 SHG 将红色激光切为两半以产生蓝紫色激光束 。 两种技术都力求提高能量和加宽工作温度范围( -10 ℃到 60 ℃ ) 以及降低成本 。 孙以材 摘 · 42 ·

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